Лабораторная работа №7
Изучение воздействий электромагнитных полей
на биологические ткани
Цель работы: изучение устройства и принципа действия
аппарата для УВЧ-терапии; исследование воздействия
электрического поля УВЧ на диэлектрики и электролиты.
Оборудование: аппарат УВЧ-терапии УВЧ 60-Мед ТеКо,
штатив лабораторный с лапками для пробирок, 2 ртутных
термометра, диэлектрик (касторовое масло), электролит (водный
раствор хлорида натрия), лампа-индикатор УВЧ-поля.
Вопросы входного контроля
1. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца.
2. Чему равна плотность тока?
3. От чего зависит сопротивление вещества?
4. Как найти мощность тока?
5. Как определить частоту электромагнитных колебаний?
Краткая теория
В медицинской практике применяемые с лечебной целью
переменные токи высокой частоты либо подводятся
непосредственно к телу (диатермия), либо они возникают в
последнем под влиянием высокочастотных электромагнитных
полей (индуктотермия и УВЧ-терапия).
Электромагнитные колебания подразделяются по частоте на
несколько диапазонов, которые встречаются в названиях
лечебных методов и соответствующих аппаратов:
Низкочастотные (НЧ) – 20 Гц.
Звуковой частоты (ЗЧ) – 20 Гц –20 кГц.
Ультразвукочастотные (УЗЧ) – 20кГц – 200 кГц.
Высокочастотные (ВЧ) – 200 кГц – 30 МГц.
Ультравысокочастотные (УВЧ) – 30 МГц – 300 МГц.
Сверхвысокочастотные (СВЧ) – свыше 300 МГц.
Воздействия переменного тока на ткани значительно
отличаются в зависимости от его частоты.
2
При низких, звуковых и ультразвуковых частотах
переменный ток вызывает раздражения. Раздражающее действие
переменного тока связано со смещением ионов в межклеточной
ткани, внутри клетки, разделением ионов на самой мембране,
изменением концентрации ионов в различных частях клетки.
Раздражающее действие переменного тока зависит от формы
импульса, его длительности и амплитуды.
При частотах более 500 кГц смещение ионов становится
соизмеримым с их смещением возникающих в результате теплового
движения и переменный ток уже не вызывает раздражающего
действия. Основным эффектом воздействия переменного тока на
ткани организма является его тепловое воздействие.
Прогревание тканей токами высокой частоты происходит за
счет образования теплоты Q во внутренних органах. Выделяемая
теплота зависит от диэлектрических свойств тканей ε, их
удельного сопротивления ρ и частоты тока ν.
Прогрев можно сделать целенаправленным, изменяя силу
тока I можно регулировать мощность тепловыделения P.
2
P I R=
;
I j S=
;
l
RS
=
;
где S – площадь электродов, R – сопротивление биологической
ткани,
I
jS
=
– плотность тока,
– удельное сопротивление
биологической ткани.
Тогда
2 2 2
l
P j S j S l
S
= =
.
Так как
S l V=
, то
2
V
Pqj
V
==
,
где qv – мощность тепла выделяющейся в единице объема V
биологической ткани.
Т.е. мощность тепла qv выделяемая в единице объема V за 1
секунду зависит от плотности тока j и удельного сопротивления
ткани ρ.
Пропускание тока высокой частоты через биологические
ткани получило название диатермии и местной
дарсонвализации.
3
При диатермии используется ток с частотой ν
1 МГц при
напряжении U = 100 – 150 В. При местной дарсонвализации
используется ток с частотой ν =100 – 400 кГц. при напряжении U
– десятки кВ и силой тока I = 10 – 15 мА.
Т.к. qv зависит от
, то наибольший прогрев имеют ткани,
обладающие большим удельным сопротивлением: кожа, жировая
клетчатка, кости и т.д. Наименьший прогрев испытывают ткани,
обладающие малым удельным сопротивлением (легкие, печень,
лимфатические узлы и т.д.).
Электрохирургические методы лечения сводятся к двум
главным способам воздействий: диатермотомии – рассечению
тканей и диатермокоагуляции – свариванию, свертыванию
белковых веществ тканей. При диатермотомии в результате
развития высокой температуры под кончиком электроножа, иглы
или у края проволочной петли вода тканей мгновенно
превращается в пар, который разрывает клеточные оболочки, и
ткань расступается в направлении ведения электрода. При
достаточно большой силе тока и быстром движении электрода
происходит разрез с невидимой глазом тончайшей
коагуляционной пленкой по краям; при более умеренной силе тока
и медленном ведении электрода рассечение происходит не столь
быстро и на поверхности раны остается заметная зона
коагулированных тканей.
Повышение температуры на ограниченном участке
поверхности ткани в месте ее соприкосновения с электродом
достигается благодаря высокой плотности переменного
электрического тока с частотой колебания 1000-1500 кГц.
Количество образуемого тепла различно для разных тканей и в
соответствии с законом Джоуля-Ленца при прочих равных
условиях зависит от их полного электрического сопротивления.
По мере удаления от электродов плотность тока уменьшается, а
вместе с тем снижается и эффект коагуляции.
Диатермокоагуляцию и диатермотомию осуществляют с
помощью специальных приборов. Существует два метода
электрохирургии: монополярный, когда больного присоединяют
только к одному полюсу источника тока, и биполярный, когда
больного присоединяют к обоим полюсам. При биполярном методе
4
в зависимости от площади поверхности электродов и их активности
различают: биполярный моноактивный метод, когда электроды
имеют разную величину – один с большой поверхностью
(пассивный), другой с небольшой поверхностью (активный) (рис. 1),
и биполярный биактивный метод, когда применяют два одинаковых
небольших активных электрода, располагающихся близко друг от
друга (рис. 2). При биполярном моноактивном методе подвижный
электрод из-за малой площади соприкосновения с тканями
обеспечивает значительный нагрев за счет высокой плотности тока
под ним; пассивный электрод значительно большей площади
укрепляют в удалении от места лечебного воздействия (на бедре,
ягодице, в поясничной области и др.), обеспечивая его хорошее
прилегание к коже во избежание ожога.
Рис. 1. Схема расположения электродов при биполярном
моноактивном способе: слева – активный, справа – пассивный.
Рис. 2. Схема расположения активных электродов при
биполярном биактивном способе диатермокоагуляции опухоли,
выступающей над поверхностью.
В зависимости от целей, которые преследует врач,
используют активные электроды различной формы: в виде диска,
копья, пинцета, шарика или лезвия скальпеля (рис. 3).
5
Электрохирургические методы лечения применяют во
многих отраслях медицины благодаря чрезвычайно широкому
диапазону электрохирургических воздействий: в офтальмологии –
для эпиляции ресниц, коагуляции участков склеры при отслойке
сетчатой оболочки; в дерматологии и врачебной косметике – для
устранения пигментных и сосудистых родимых пятен, бородавок,
волосатости, татуировки и пр.; в стоматологии – для коагуляции
зубной пульпы, стерилизации зубных каналов, устранения
папилломатоза десен, иссечения различного рода опухолей языка
и т.п.; в отоларингологии – при коагуляциях ангиом и других
опухолей в полости носа, в гортани, на голосовых связках,
асептизации миндалин при тонзиллитах и пр.
Рис. 3. Набор различных активных электродов и держатель с
вставленным электродом (внизу).
При лечении легочного туберкулеза достаточно широко
применяют диатермотомию плевральных тяжей и шварт через
торакоскоп. В ряде случаев диатермокоагуляцию используют для
удаления полипозных разрастаний и небольших аденом бронхов
через бронхоскоп; в общей хирургической клинике широко
пользуются электрокоагуляцией для остановки кровотечения, при
обширных рассечениях тканей, например, при торакальных
операциях, что существенно сокращает длительность вмешательств
и количество оставляемых в тканях инородных тел – лигатур. При
операциях на желудочно-кишечном тракте электрохирургические
методы лечения надежно обеспечивают асептику вмешательства.
Оправдала себя электрохирургия при резекции печени, в урологии
электрокоагуляцию применяют для лечения уретероцеле и при
вклинении камня в устье мочеточника, а также при аденоме
предстательной железы. Наибольшее же применение
электрохирургические методы лечения нашли в онкологии. Это
обусловлено следующими особенностями электрохирургии: гибель
6
всякой живой клетки под активным электродом позволяет
оперировать более абластично и асептично. Образование при
диатермотомии на поверхности рассекаемых тканей коагуляционной
пленки предохраняет от прививки на них опухолевых клеток,
случайно оказавшихся живыми, и от местного рецидива.
При диатермокоагуляции применяют ток с плотностью
j = (6-10) мА/мм2, при этом температура ткани повышается и
коагулирует. При рассечении ткани используется острый электрод
(электронож) при плотности тока до j = 40 мА/мм2.
Воздействие переменным магнитным полем
на ткани организма (индуктотермия)
Индуктотермия – лечебное применение магнитного поля.
Ткань помещена в катушку, внутри которой существует
переменное магнитное поле с частотой ν = 10-40 МГц. Это поле
создает (индуктирует) в проводящих тканях вихревые токи. Эти
токи можно использовать для прогревания тканей и органов.
Такой лечебный метод называется индуктотермией. Тепловой
эффект тем больше, чем выше электропроводность тканей,
поэтому мышечная ткань, содержащая значительное количество
крови и лимфы, нагреваемся сильнее, чем кожа и подкожная
клетчатка. Температура глубоко расположенных органов (печень)
и крупных мышечных групп может повышаться на 3-4 ⁰С.
Тепловая реакция (гиперемия) в коже отсутствует.
Повышение температуры ведет к нарастанию кровотока и
лимфотока, интенсификации обмена веществ, окислительно-
восстановительных процессов. При воздействии средней
интенсивности (ощущение умеренного тепла) возрастает синтез
глюкокортикоидов и освобождение их из связанного с белками
состояния, гликогенобразовательная и желчевыделительная
функции печени, активируется фагоцитоз, рассасываются
воспалительные очаги, снижается тонус поперечно-полосатой н
гладкой мускулатуры, снижается артериальное давление,
понижается возбудимость центральной и периферической нервной
системы, возникает общеседативное и болеутоляющее действие.
Поместим образец (ткань) в переменное магнитное поле (рис. 4).
Рассчитаем количество выделенной теплоты в этом случае.
7
Рис. 4. Схема воздействия переменным магнитным полем на
биологическую ткань.
Электродвижущая сила индукции (ЭДС) индукции
магнитного поля согласно закона электромагнитной индукции
равна скорости изменения магнитного потока, взятой с
противоположным знаком
( )
cos sin
i
d BS t
dBS t
dt dt
= − = − =
,
где Ф – магнитный поток, В – максимальное значение вектора
индукции магнитного поля, S – площадь, ограниченная витком
катушки,
– частота тока, t – время.
По закону Ома для полной цепи
ii
IR r R
==
+
т.к. r = 0.
Тогда
2
sin sin
iBS t BS t
IR R l
= = =
т.к.
l
RS
=
;
Отсюда
2
max BS
Il
=
,
тогда
2
эф
эф
BS
Il
=
(
2
max
эф
I
I=
и
2
эф
B
B=
).
Для плотности тока
эф эф
эф
I B S
jSl
==
.
Ранее мы показали, что количество теплоты, выделенное в 1
м3 ткани за 1 секунду равно
2
V
Pqj
V
==
тогда имеем:
2 2 2
2
эф
V
BS
ql
=
.
8
Анализируя полученное выражение, приходим к выводу, что
𝑞𝑉~1
𝜌 , где
– удельное сопротивление ткани.
Таким образом, при индуктотермии количество теплоты,
выделяющейся в тканях обратно пропорционально удельному
сопротивлению. Поэтому ткани, обладающие электролитными
свойствами, прогреваются эффективнее, чем диэлектрики при
одной и той же частоте
магнитного поля (положительный
эффект). Следовательно, при индуктотермии больше нагреваются
ткани с меньшим удельным сопротивлением – межтканевые
жидкости, мышцы, кровь, печень. По сравнению с диатермией
индуктотермия дает более глубокое прогревание, поскольку
проводится на более высоких частотах. Индуктотермия дает
хорошие результаты при лечении хронических воспалительных
процессов в глубоко лежащих тканях: бронхит, пневмония,
холецистит, нефрит и др.
Воздействие высокочастотного электрического поля
на биологические ткани (УВЧ- терапия)
Улътравысокочастотная терапия (УВЧ-терапия) – это
физиотерапевтический лечебный метод нагревания ткани, которая
располагается между пластинами конденсатора (терапевтические
электроды), где существует переменное электрическое поле
частотой ν = 40 МГц, что на порядок выше, чем при диатермии.
Под действием такого электрического поля в тканях-
проводниках возникает движение ионов и образуется переменный
ток ультравысокой частоты. В тканях-диэлектриках (жир, кость,
хрящ, соединительная ткань) электрическое поле УВЧ действует
на электроны, ионы, диполи, сложные молекулы, вызывая их
смещение, так в этих тканях тока не возникает (нет свободных
носителей электрического заряда), усиливаются лишь их
колебания относительно имеющихся положений равновесия
(осцилляторный компонент). При поглощении энергии
электрического поля УВЧ возникает тепловой эффект,
значительно меньший, чем при индуктотермиии. Преимущество
этого метода заключается в том, что электрическое поле проникает
через кожу с подкожно-жировой клетчаткой, жировые и
соединительнотканные прослойки, проникает внутрь суставов,
через кость в костный мозг и другие ткани, недоступные для
9
других видов энергии, оказывая сквозное действие на все слои
тканей. Наибольшее количество энергии поглощается жировой
тканью. Считается, что, кроме теплообразования, оказывает
действие и осцилляторный компонент, что подтверждает
эффективность УВЧ-терапии при отсутствии ощущения тепла.
Электрическое поле УВЧ обладает противовоспалительным,
болеутоляющим, улучшающим кровообращение и функции
нервной системы эффектом.
Возьмем биологическую ткань с диэлектрической
проницаемостью ε и поместим ее между двумя электродами,
выполненных в виде пластин, причем пластины не касаются
биологической ткани. Между пластинами возникает переменное
электрическое поле напряженностью Е
(рис. 5).
Рис. 5. Схема воздействия высокочастотного электрического поля
на биологическую ткань.
S – площадь пластин, U – переменное напряжение, подаваемое на
пластины, d – расстояние между обкладками конденсатора.
Под влиянием высокочастотного электрического поля в
биологической ткани возникают токи смещения и проводимости.
Среднее значение мощности в цепи переменного тока,
выражающейся формулой:
эф эф
P U I cos
=
, т.к.
2
max
эф
U
U=
,
2
max
эф
I
I=
,
2
max max
UI
P cos
=
,
где φ – угол сдвига фаз между
max
U
и
max
I
. В чистых диэлектриках
2
=
и
0P=
. В реальных диэлектриках
2
, а угол
–
называют углом диэлектрических потерь (рис. 6).
10
Рис. 6. Угол сдвига фаз между напряжением и током
в реальных диэлектриках.
Разложим силу тока Imax на две составляющие: активную Ia и
реактивную Ip (рис. 6). Реактивная составляющая сдвинута по фазе
относительно напряжения на угол π/2 и мощность, выделяемая ею,
равна нулю. Активная составляющая Ia выделяет мощность в
биологической ткани, которая определяется уравнением:
2
max a
U
PI=
, т.к. φ=0, cosφ=1.
Из соответствующего треугольника выразим Ia через Ip,
ap
I I tg
=
, тогда
2
max p
U
P I tg
=
.
Выразим Ip через напряжение и емкостное сопротивление
биологической ткани
1
C
XC
=
:
p
max max
C
U
I U C
X
==
,
где С – электроёмкость плоского конденсатора, в котором
находится биологическая ткань с диэлектрической
проницаемостью ε.
Подставляя значение Ip в формулу мощности, получим:
2
max
2
U
P C tg
=
,
т.к.
0S
Cd
=
, а
max 2
эф
UU=
, получаем
20
эф
S
P U tg
d
=
.
Выразим
эф
U
через связь напряжения и напряженности
электрического поля Е, т.е.:
11
эф
U E d=
.
где d – расстояние между обкладками конденсатора с
биологической тканью.
20
P E d S tg
=
,
тогда мощность тепла выделяющейся в единице объема
биологической ткани qv с учетом того, что V=Sd, будет равна
20VP
q E tg
V
= =
.
При анализе полученного выражения видно, что количество
тепла qv выделяемой в единице объема биологической ткани
прямо пропорционально зависит от диэлектрических свойств
самой ткани – чем больше диэлектрическая проницаемость ε, тем
соответственно, и больше выделяется тепла. Следовательно, при
УВЧ-терапии лучше прогреваются ткани, обладающие
диэлектрическими свойствами (жир, кость, хрящ, соединительная
ткань, клетчатка и т.д.).
Микроволновая терапия (СВЧ-терапия)
Наряду с УВЧ-терапией применяется микроволновая терапия
дециметровая ДЦВ- терапия (ν = 460 МГц) и сантиметровая
СМВ-терапия (
=2375 МГц). Эти два вида получили название
СВЧ-терапия.
Физический аспект: электрическая волна поляризует
молекулы вещества, в результате чего возникают диполи. При
изменении направления электромагнитной волны происходит
переориентация диполей, что вызывает ток смещения. Кроме того,
электромагнитная волна вызывает смещение ионов, образуя ток
проводимости. Таким образом, в веществе помещенной в
переменное электромагнитное поле возникают как токи
проводимости, так и токи смещения. Все это приводит к
нагреванию вещества. Глубина проникновения электромагнитных
волн в биологические ткани зависит от свойств самой ткани
(строения) и частоты ν электромагнитных волн.
Сантиметровые волны проникают в мышцы, биологические
жидкости на глубины около 2 см., а в жир, клетчатки около 10 см.
Для дециметровых волн эти показатели примерно в 2 раза выше.
12
Таблица 1
№
п/п
Физический
фактор
воздействия
Режим действия
Н – непрерывный;
И – импульсный
Название метода
Первичный
лечебный эффект
Р – раздражающий;
Т – тепловой
I. Контактные методы.
Воздействие током через контактно наложенные электроды
1
Постоянный
электрический
ток
Н
Гальванизация.
Лечебный
электрофорез
U = 40-60 B;
i = 20-50 mA
Р
2
Ток постоянного
направления
И
Электростимуляц
ия (электросон,
электронаркоз,
электроаналгезия
и т.п.)
Р
3
Переменный ток
ВЧ ν~0,2-30 МГц
И
Дарсонвализация
ν~500 кГц
Р
4
Переменный ток
ВЧ
Н
Диатермия
ν~1-2 МГц
Т
II. Бесконтактные методы
Воздействие электрическим, магнитным, электромагнитным полем
1
Постоянное
электрическое
поле
Н
Аэроноионизация
Статдуш
Франклинизация
Р
2
Постоянное
магнитное поле
Н
Магнитотерапия
Р
3
Магнитное поле
ВЧ
Н
Индуктотермия
ν~10-15 МГц
Т
4
Электрическое
поле УВЧ
ν~30-300 МГц
Н
УВЧ-терапия
ν~40-50 Мгц
Т
5
Электромагнитн
ое поле СВЧ
ν>300МГц
Н
Микроволновая
терапия
Т
Порядок выполнения работы
Упражнение №1. Изучение теплового действия
высокочастотного электромагнитного поля на диэлектрик и
электролит.
1. Подключите дискообразные электроды к аппарату УВЧ.
2. Между электродами поместите 2 пробирки с одинаковыми
объемами жидкостей (диэлектрик и электролит), измерьте
первоначальную их температуру и запишите в таблицу 2. Верхняя
строка времени соответствует отсчету времени по таймеру.
13
Таблица 2
tтаймера,
(мин)
16
14
12
10
8
6
4
2
0
t, (мин)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
t°С, (Д)
t°С, (Э)
т
3. Перевести клавишу переключателя «Сеть» в положение
ВКЛ (позиция I). Клавиша находится на задней панели прибора.
При включении клавиши «Сеть» загорятся индикаторы
«Мощность» и «Таймер».
4. Клавишей «↑» или «↓» установите требуемое значение
мощности 30 Вт. Значение выбранной мощности отображается на
индикаторе мощности.
5. Нажатием клавиши « »перевести аппарат в режим
установки времени.
6. Клавишей «↑» или «↓» задать требуемое время процедуры
(16 минут). Выбранное значение времени отображается на
индикаторе таймера.
7. Клавишей « » произвести запуск прибора, при этом
таймер начнет отсчет времени от 16 минуты до 0. Через каждые 2
минуты измеряйте температуру жидкостей. Результаты занесите в
таблицу 2.
8. По истечению установленного времени таймер отключит
генератор. Аппарат издаст звуковой сигнал.
9. После окончания работы аппарата, перевести клавишу
переключателя «Сеть» в положение «ВЫКЛ» (положение «0») и
отсоединить вилку шнура питания от сетевой розетки.
10. По полученным данным в одних координатных осях
постройте графики зависимости температуры диэлектрика (Д) и
электролита (Э) от времени их нахождения в высокочастотном
электромагнитном поле.
Примечание: время откладывается по оси абсцисс (x), а
температура по оси ординат (y).
14
Контрольные вопросы
1. Физические основы диатермии.
2. Электрохирургические методы лечения (диатермотомия и
диатермокоагуляция).
3. Физические основы индуктотермии.
4. Физические основы УВЧ терапии.
5. Физические аспекты микроволновой терапии.
Задачи
1. Сколько времени нагревалась сухая кожа сопротивлением 20
кОм, если при силе тока 0,1 А в ней выделилось 0,6 кДж теплоты.
2. Найти плотность тока в проводящей мышечной ткани длиной
1 м, на который подано напряжение 0,1 В (удельное сопротивление
мышцы 0,7 Ом·м).
3. В микроволновой терапии используются электромагнитные
волны в дециметровом диапазоне λ1 = 65 см и сантиметровом
диапазоне λ2 = 12,6 см. Определить соответствующие частоты.
Рекомендуемая литература
1. Ремизов, А.Н. Медицинская и биологическая физика [Текст]:
учеб. - 4-е изд., испр. и перераб. - М.: Изд. группа "ГЭОТАР-
Медиа", 2014. - 647 с.: ил. - ISBN 978-5-9704-2955-6 [Глава 18, С.
357-362, Глава 19, С. 363-374].
2. Физика и биофизика. Руководство к практическим занятиям
[Электронный ресурс]: учебное пособие. - М. : ГЭОТАР-Медиа,
2013. - ISBN 978-5-9704-2677-7. URL:
http://www.studmedlib.ru/ru/doc/ISBN9785970426777-
0003/025.html [Глава 3, Раздел 4/6, С. 26-33].
3. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика
[Электронный ресурс]: учебник - 4-е изд., испр. и перераб. - М.:
ГЭОТАР-Медиа, 2013. - ISBN 978-5-9704-2484-1. URL:
http://www.studmedlib.ru/ru/doc/ISBN9785970424841-0040.html
[Глава 18, Раздел 24/43, C. 5-7, Глава 19, Раздел 25/43, C. 1-10].
4. Федорова В.Н. Медицинская и биологическая физика. Курс
лекций с задачами [Электронный ресурс]: учебное пособие. - М.:
ГЭОТАР-Медиа, 2010. - ISBN 978-5-9704-1423-1. URL:
http://www.studmedlib.ru/ru/doc/ISBN9785970414231-0017.html
[Лекция 16, Раздел 18/37, C. 1-4, Лекция 17, Раздел 19/37, C. 1-15].
